【正文】 當轉子轉速給定時，存在一個直軸磁鏈，使得 輸出電磁功率最大，也即直軸磁鏈等于 O 或者直軸磁鏈為正的最小值，對應的電磁功率最大。所以只要能夠確定轉子準確的空間位置，將三相定子電流合成矢量控制在 q 軸上，就能夠使控制無刷直流電機的電磁轉矩了，因為此時它只和 q 軸分量成正比。通過一定的控制，可以使得交流電動機的轉子總磁通等效于直流電動機的勵磁磁通，所以兩相旋轉坐標系中的 d繞組就等價于直流電動機的勵磁繞組 ,id 等價于勵磁電流，兩相旋轉 坐標系中的 q 繞組相當于靜止的電樞繞組， iq相當于與轉矩成正比的電樞電流。如果我們站在鐵芯上和繞組一起旋轉，按照相對運動的原理， d 和 q是兩個通入直流而相互垂直的靜止繞組。由于 d 軸與轉子磁鏈軸線重合，因此也可稱之為轉子磁場定向控制。由假設可以得到 cbacba LLLRRR ???? 。由于轉子位置的不同導致驅動的開關器件也不同，此時導通的開關器件為 V1 和 V2，與 V1 和 V2 連接的 AC 兩相繞組通電， A 進 C 出，電樞繞組合成的氣隙磁勢 Fa 如圖中所示。常用的位置傳感器有光電式、電磁式和磁敏式三種； (1)磁敏式位置傳感器 控制系統(tǒng)中所用的霍爾位置傳感器是一種磁敏式位置傳感器，它是利用霍爾效應制成的一種半導體器件，該傳感器 安置于外磁場中，在通電的情況下即可產(chǎn)生霍爾效應輸出霍爾電勢信號；如果沒有外部磁場的作用，該傳感器也不能發(fā)揮作用。 論文研究內容及章節(jié)安排 本 文 主 要 以電 動 車用 無 刷 直流 電 機矢 量 控 制技 術 實現(xiàn) 展 開 研究 ， 用Matlab/Simulink 實現(xiàn)模擬仿真。矢量控制基本思想是在普通交流電動機上設法模擬直流電動機轉矩控制方式，通過電動機外部的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電樞磁動勢和勵磁磁場進行空間定向控制，即控制兩者的空間電角度。隨著改革開放以來工業(yè)生產(chǎn)及民用設備對無刷直流電機需求逐漸增加，其控制技術也得到了快速發(fā)展，相關產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)成型。電動汽車的研制也有利于促 進高科技的發(fā)展、新興丁業(yè)的興起以及經(jīng)濟的發(fā) 展。 本文主要研究 內容 如下 ： ，首先 對永磁無刷直流電機本體及數(shù)學模型分析 ，接著 對矢量控制坐標變換和空間電壓矢量脈寬調制技術的原理和實現(xiàn)進行分析 。燃油汽車使用的燃料來自于石油，而石油足有限的不可再生資源，作為全世界重要 的化工資源的石油被世界各國在汽車上大量地消耗，據(jù)近 年的有關石油的國際會議估計，全世界探明的石油儲量在未來 50 年內即可用完。 永磁無刷直流電 機以其結構簡單、可靠性高、效率高、體積小、重量輕等優(yōu) 點被廣泛應用于車用電機驅動系統(tǒng)中。永磁無刷直流電動機的優(yōu)點是效率高，起動轉矩大，過載能力強，高速操作性能好，無電刷，結構簡單牢固，免維護或少維護，體積小質量輕，但會產(chǎn)生轉矩脈動，電流損耗大，工作噪聲大。從同步旋轉坐標系看，電機各空間矢量就變成了直流矢量，繼而根據(jù)轉矩公式在同步旋轉坐標系中的形式，找到被控矢量（電壓或者電流）各個分量和轉矩之間的關系，就可以實時地計算出轉矩控制所需要的被控矢量的各個分量值。 第四章、第五章為無刷直流電機矢量控制系統(tǒng)及仿真實驗，根據(jù)前幾章對理論的研究，結合推導的數(shù)學方程，建立 MATLAB/SIMULINK 仿真模型，得出仿真結果，根據(jù)結果驗證控制理論并對結果進行說明分析。 (3)電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器由定子和跟蹤轉子兩部分組成，定子一般用硅鋼片或者用高頻鐵氧體材料壓鑄而成，一般有磁芯、高頻激磁輸入繞組和輸出繞組三部分組成；跟蹤轉子的外觀為一圓柱體，其由非導磁材料制作而成，一般有扇狀形式的磁芯和不具有導磁性質的襯套兩部分組成。 無刷直流電機的基本方程 理想的無刷直流電機反電動勢是梯形波，本文在靜止的 ABC 三相坐標系上以兩相導通星形三相六狀態(tài)為例，在分析無刷直流電機工作原理的基礎上建立了它的動態(tài)數(shù)學模型。而被導通的兩相繞組上電流方向和反電動勢（依次記作 i， E）大小數(shù)量上相等，方向相反，所以電機的電子轉矩也可以表示成式子（ ） ?? EiTe 2 （ ） （ 3） 運動方程 無刷直流電機的運動方程為： dtdJTTLe??? （ ） 式中 J 為轉子轉動慣量（ kg直流電動機的轉矩表達式是 iCT Te ?? ? ，式中 eT 為電磁轉矩， TC 為轉矩系數(shù)，i 為電樞電流， ? 為磁通。圖 繪了三相 ABC 和兩相αβ坐標系，為了方便分析，取 A 軸和α軸方向一致并且相互重合假設三相 繞組每相的匝數(shù) N3，兩相繞組每相有效匝數(shù) N2，每相的磁動勢等于各自相電流乘以對應的匝數(shù)，他們的空間矢量都與各相的坐標軸相重合。通過電動機外部的控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)電樞磁場和勵磁磁場進行定向控制，也就是控制磁場間的空間電角度，進一步說，想要獲得和普通直流電動機一樣的調速特性，那么只要電樞電流矢量能夠按照我們的意愿變化就可以了。 （ 3）恒磁鏈控制 恒磁鏈控制的原理是控制電動機 id、 iq，讓電動機定子繞組產(chǎn)生磁通保持恒定，并且使它產(chǎn)生的磁鏈和轉子磁鏈相等。單位安培定子電流產(chǎn)生的電磁轉矩最大，可以獲得最高的轉矩電流比，電機的銅耗也最小。 (5） 弱磁控制 在轉子看來永磁同步電機勵磁磁場被定子電樞反應磁場消弱的同時，定子電樞反應磁場的空間轉速相對于電樞繞組在不斷提高。無刷直流電機三相交流電通過 3/2 變換、2s/2r 變換得到兩個相互垂直、彼此獨立的矢量 id（勵磁電流分量）和 iq（轉矩電流分量），因此控制 id 和 iq 即可控制電動機的 轉矩，通過控制它們來實現(xiàn)對電動機轉矩和轉速的控制。 ?i 、 ?i 和 di 、 qi 之間存在如下關系： ?? ?? s inc o s iiid ?? （ ） ??? s inc o s aq iii ?? （ ） 寫成矩陣形式，得： ???????????? ??????????????iiiiqdc o ss i ns i nc o s （ ） 反之，對上式兩邊都乘以變換矩陣的逆矩陣，即得從兩相旋轉坐標系到兩 相靜止坐標系的變換關系 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ???????????? ????????qdiiii??????c o ss i ns i nc o s （ ） 電壓和磁鏈的旋轉變換與電流的旋轉變換相同。圖 (b)描繪的是 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 兩相靜止繞組α、β，它們空間角度相差 90176。 坐標變換的原則 由機電能量轉換的基本原理可知，電動機內氣隙磁場是進行能量轉換的媒介，由定子側輸入的能量正是通過氣隙磁場傳遞到轉子的。 （ 5）三相繞組的參數(shù)都對稱。 如圖 23（ a）所示，通過轉子位置傳感器感應出轉子的位置信號，經(jīng)控制邏輯變換后驅動逆變器的開關器件 V1 和 V6 導通，此時繞組 AB 通電，而且為 A 進 B 出， 經(jīng)右手螺旋定則可判定電樞繞組在空間的合成磁勢 Fa 如圖中所示。 控制器 控制器的功能是完成電子換向功能，由功率邏輯開關電源和位置傳感器信號處理單元組成，將檢測到的位置信號進行處理，按照一定的邏輯順序去觸發(fā)功率開關器件，使電動機本體產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉矩。日本學者 Yamamura， Nabae 等人借鑒了矢量控制的思想和方法，應用穩(wěn)態(tài)轉差頻率得出轉子磁場位置的方法，提出了轉差量控制方法。 20 世紀 30 年代以來，交流電機理 論在同步電機雙反應原理、旋轉坐標變換等理論基礎上逐步形成了交流電機的 Park 方程，而后又由布朗進一步建立了電機的同一理論，從理論上證明了交流電機與直流電機的同一性。一直以來，各國學者對無刷直流電動機本體進行了深入的研究，先后成功研制方波直流永磁無刷電機和正弦波直流永磁無刷電機 (被稱為新一代的永磁同步電機 )。長期以往，必將影響城市經(jīng)濟發(fā)展和生活水平的提高。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 摘 要 電動汽車具有清潔無污染，能源來源多樣化，能量效率高等特點，可以解決能源危機和城市交通擁堵等問題。據(jù)調查，全國幾乎所有城市汽車保有量都在不斷增加，大量的機動車導致中心城區(qū)車流高峰期越演越烈，給城市居民出行帶來嚴重不便，大 、中型城市這種現(xiàn)象猶為脫出，嚴重的甚至導致大面積交通堵塞，交通事故頻發(fā)。 1978 年，當時的 M秈 esmaIlIl 公 司 MAC 經(jīng)典無刷直流電動機及其驅動系統(tǒng)問世，電子換相式無刷直流電機進入實際應用階段。對電機的控制其實就是對電機轉矩的控制，無刷直流電機磁場定向控制通過對交直軸電流分別控制實現(xiàn)對電機轉矩的間接控制。無速度傳感器控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制 理論在電動機調速控制系統(tǒng)中的應用，以及大功率交流傳動系統(tǒng)中矢量控制方法的成功應用，將矢量控制推向新的高度。轉子由永久性磁材按一定偶數(shù)對的極對數(shù)組成，其結構有很多種，常用的有永磁環(huán)直接套在轉軸上、在導磁鐵心里嵌上永磁體等。下面以兩相導通三 相星形六狀態(tài)無刷直流電機為例說明其工作原理。 （ 4）逆變電路中功率開關管以及續(xù)流二極管都有理想開關特性。坐標變換有很多種類，在研究矢量控制時有 3種坐標系，一般稱作靜止三相 ABC 坐標系、靜止的兩相α β 坐標系和旋轉兩相 dq 坐標系；將靜止的三相到靜止的兩相變換稱為 3s/2s 變換（ Clarke變換），反之，則成為 2s/3s 變換；將靜止的兩相到旋轉的兩相的變換簡稱為 2s/2r變換（ park 變換又稱旋轉變換），反之，則稱為 2r/2s 變換。 如圖 (a)所示 為通入電流的無刷直流電機三相對稱定子繞組 A、 B、 C 產(chǎn)生了合成磁動勢 F，合成磁動勢在三相坐標系中按著 ABC 逆向旋轉。 圖中， d 軸和 q 軸都 以同步速度 ω r 旋轉，而 ɑ 軸和 β 軸是靜止的， d 軸與 ɑ 軸的夾角 θ 隨時間變化。 分析完矢量控制理論后，我們可以了解到，對無刷直流電機的矢量控制實際上是對電動機定子電流矢量相位和幅值的控制，當永磁體的勵磁磁鏈和電機參數(shù)確定后，電動機的轉矩便取決于定子電流空間矢量。但是在給定轉矩變大的時候，功率因數(shù)下降快。采用磁場定向控制，令 id=0 可以得到 電磁轉矩與交軸電流成線性關系，只要控制好交軸電流幅值，就可以得到良好的轉矩控制性能。這種控制方法與（ 1）相比，它有更高的功率 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 因數(shù)，使得無刷直流電機的最大輸出轉矩得到了提高，但是這 種控制方式也有存在去磁分量、最大輸出轉